煤层气省级期刊

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同求啊！~我也在找这个

秦勇

（中国矿业大学 江苏徐州 221008）

作者简介：秦勇，1957年生，男，博士，教授，煤田与煤层气地质，yongqin＠cumt.edu.cn。

基金项目：国家973计划项目（2002CB211704）及国家自然科学基金项目（40572095）资助。

摘要 基于CNKI中国期刊全文数据库，系统检索和统计了我国煤层气论文的分布特点。以此为基础，分析了我国煤层气论文分布与产业发展特征之间的关系，讨论了产业发展对科学技术的需求趋势。结果显示：分别以1999年和2002年为界，论文分布体现出我国煤层气产业发展经历了三个历史阶段，每一阶段对科技需求的特点在论文分布特征上都有所体现。由此，作者认为：煤层气资源评价及其方法仍是今后研究的主题，进一步深化地质选区理论与方法将有助于选区成功率的提高，开发技术适应性是今后需致力于探讨的重要方向之一，煤层气井产能、采收率及其影响因素的研究应该引起足够重视，全方位探索深部煤层气资源与开发潜力将有可能拓展我国煤层气开发的新领域，研发环境保护、高附加值转化利用和小型化利用储运技术将有助于推进我国煤层气产业健康发展。

关键词 煤层气 论文 分布 产业 发展

CBM Publication Occurrence and Industrial Development in China

Qin Yong

（China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008）

Abstract：The occurrence of the coalbed methane（CBM）papers written by Chinese authors from 1994 to 2005 was systematically indexed and analyzed form the CNKI's China Journal Full Database（CJFD）.Based up the data or information，the correlation of the paper distribution to the development of Chinese CBM industry was construed and the requirements of the industry to science and technology for the future were discussed.It was shown that，respectively taking the 1999 and 2002 as a borderline，three developmental stages of the Chinese CBM industry as well as the scientific and technologic requirements of the industry in each stage were unfolded through the distribution of the papers.It was farther suggested that the evaluation and methodology of the CBM resources should be taken as one of the subjects in future research，the deep research of the target-selecting theory and method would help to improve the reliability of the CBM target selection，the adaptability of the exploiting technology to the CBM geological conditions should be one of the key aspects which should be engaged in the researches，the CBM-well productivity and CBM recovery ration should be laid much store by investigation，the omni-directional exploration for the potential of the deep CBM resources and development would be helpful to the deploitation of new CBM field in the industry，and the technological advances on the CBM environmental protection，high-additional-value utilization and miniaturized storage and transportation equipment should conduce to promote the benign development of the industry.

Keywords：CBM；paper；occurrence；industry；development

在现代科学技术背景下，新兴产业的发展均与该领域学术技术研究状况密切相关。换言之，一个产业领域内基础、应用基础与技术研究论文的分布状况，蕴涵着该产业发展历程的丰富信息，并在一定程度上可预示产业的发展趋势。我国煤层气产业目前处于商业化生产的启动阶段[1]，分析煤层气论文产出特点及其与产业发展的关系，对回顾我国煤层气产业发展历史、展望其发展趋势均有所裨益。为此，本文作者利用中国国家知识基础设施（CNKI）中国期刊全文数据库[2]，对1994～2005年期间煤层气论文进行了系统检索。以此为依据，分析了我国煤层气论文在时间和研究方向上分布特点，讨论了产业发展所需注重的主要科学技术问题。

1 CNKI 煤层气论文总体分布

系统检索结果显示，CNKI中国期刊全文数据库收录1994年至2005年煤层气论文1465篇，年均约122篇。

分析检索结果（图1），获得如下总体认识：

第一，我国煤层气论文连年增长，但不同历史阶段的增长速率明显不同。这一特点，与中国煤层气产业的艰难探索过程一致，反映出产业从起始到目前产业化经历了阶段性的发展历程。

第二，不同类别论文的分布特点，揭示出我国煤层气产业当前所处的阶段性特征。在论文总量中，地质与勘探类论文所占比例为54.33%，开发技术类论文占14.88%，利用与储运类论文占6.42%，经济与政策类论文占4.03%，环境保护类论文占1.30%。以地质勘探类论文为主的分布特点，折射出我国煤层气产业总体上处于发展的初始时期。

第三，各类论文在时间上的分布呈规律性起伏，这正是产业不同发展阶段对科学技术的需求有所不同的集中反映。

图1 CNKI中国期刊全文数据库煤层气论文类别及年度分布

值得注意的是，1994年至2005年期间，CNKI 煤层气论文篇数增长了12.80倍，年均增长率约106%。进一步分析，论文数量呈三阶段式的非线性增长，指示中国煤层气产业发展历程至今经历了三个阶段（图2）。其中：第一阶段论文447篇，年均产出约75篇；第二阶段论文390篇，年均产出130篇；第三阶段论文628篇，年均产出约209篇。同时，不同阶段中各类论文互为消长的状况，与每一阶段对地质研究、勘探评价、开发试验等的不同需求高度对应。

图2 CNKI论文总数时序分布及其展现的中国煤层气产业发展阶段

2 CNKI 论文分布与中国煤层气产业发展阶段

2.1 第一阶段：寻证-找气-摸索阶段

该阶段可上溯至20世纪80年代前半期，结束于1999年，历时四个“五年”计划。在此期间，煤层气论文数量从1994年的20篇增加到1999年的129篇，在时间序列上呈线性增加，阶段总增长率545%，阶段年均增长率约91%，作者和单位的数量明显增多（图1）。

从论文类别分布来看：地质与勘探类论文居绝对优势，占阶段论文总数的60%，年均约45篇；开发技术类论文不足8%，年均约6篇；利用与储运、经济与政策、环境保护等类别论文的比例很低，年均都在2篇左右（图1，图2）。这种分布，是各国煤层气产业发展初期的典型特征，即研究和生产都是以寻找“证据”、框定资源、选择区域和验证目标为主。

在地质与勘探类论文中（图3）：多数报道的是关于煤层气资源评价与地质选区（42%，年均约19篇）、储层物性和吸附性（34%，年均约15篇）的研究成果，反映出积累资料、摸索经验的特点；成藏条件与过程、煤层气可采性论文年均分别只有2篇和1篇，该方面研究没有得到重视，在一定程度上显示出基础研究不足而致使煤层气地质选区和“找气”具有盲目性，这也是该阶段我国煤层气地质选区成功率较低的一个重要原因[3]。

在该阶段，开发技术类论文多是对国外技术的消化和应用。其中，钻井、试井和完井论文占了较大比例（35%，年均约6篇），排采与增产措施得到了应有重视（24%，年均约4篇），对解吸-扩散-渗流这一煤层气开采的基础有所关注（6%，年均约1篇），但几乎未见关于煤层气井产能和采收率方面研究成果的报道（图4）。此外，综述性论文也多以介绍国外煤层气勘探开发理论和技术为主。

图3 CNKI煤层气地质与勘探类不同研究方向论文分布

图4 CNKI煤层气开发技术不同研究方向论文分布

上述特征揭示：本阶段的研究是针对我国煤层气产业的起始过程而开展的，在煤层气地质研究上表现为寻证，在勘探上表现为找气，在开发试验上表现为摸索，总体上试图通过引进和消化国外相关理论与技术来解决中国的煤层气地质问题，积累了较为丰富的煤层气地质基本条件信息，对全国煤层气资源及其分布规律取得了基本认识，煤储层特性这一煤层气地质核心问题得到应有的重视，开展了适合于中国煤层气地质特点开发技术的试验与探索，并从区域上开始了对全国或区域煤层气产业发展战略的思考。

2.2 第二阶段：探因-普查-彷徨阶段

该阶段历时3年，从2000年开始，至2002年结束。在此阶段，每年的煤层气论文稳定在130篇左右，年均论文数量比第一阶段增加了73%，但论文类别构成变化明显（图1）。

从论文类别来看：地质与勘探类论文209篇，占该阶段论文总数的54%，年均篇数（约70篇）比第一阶段显著增加，但从1999年至2001年论文篇数显著递减，在后期有重新增加的趋势；开发技术类论文显著增多，占论文总数的比例比第一阶段增长了10个百分点；经济与政策、利用和储运的研究得到更多的关注，论文比例均上升了5～6个百分点（图1，图2）。

与第一阶段相比：该阶段地质与勘探论文中煤储层物性与吸附性研究成果的数量和比例显著增高（105篇，50%），构成了研究的主题；资源评价与地质选区尽管仍得到较多关注，但比例明显降低（29%）；成藏条件与过程论文的比例基本不变（10%），但年均论文篇数（7篇）明显增多（图3）。由此表明，这一阶段常规评价与选区方法趋于成熟，研究的注意力更多地转向与开采地质条件密切相关的煤储层特性，转向了成藏效应等深层次的控制机理问题。

就开发技术而言：钻井、完井、试井论文17篇，年均约8篇，远高于第一阶段，但在阶段论文总数中的比例（25%）有所降低；排采与增产措施论文18篇，比例（27%）有所提高；产能与采收率论文11篇，比例从零增至约16%；解吸-渗流-扩散论文14篇，占阶段论文总数的21%，比例显著增长（图4）。排采与增产措施、产能与采收率的研究得到加强，开采基础和应用基础研究受到高度重视，研究重点向开发技术的中—下游移动，这是为解决我国煤层气产业发展“瓶颈”问题而做出的努力，也是产业逐渐走向成熟的标志之一。

在此阶段：除了进一步拓展勘探选区继续找气之外，更多的力量集中于第一阶段已有一定勘探工程的地区，以进一步缩小勘探靶区，为开发试验提供更为可靠的基地；同时，尽管在近20个地区进行了排采试验，但多未取得理想的效果，致使开发试验徘徊不前，业界信心受到冲击。然而，这一时期煤层气开发基础与技术研究得到了较大发展，尤其是在开采方法与增产措施、煤层气解吸扩散渗流机理、产能与采收率分析等方面取得较多成果，为中国煤层气产业化时代的到来奠定了重要技术基础。

上述论文分布特征，指示我国煤层气产业发展过程由于进入了一个新的阶段而对科学技术的需求发生了较大变化，在煤层气地质研究上表现为探因，勘探上表现为普查，开发试验上表现为访徨，总体上处于为催生中国煤层气产业化时代到来的“阵痛”阶段。

2.3 第三阶段：求源-详查-商业阶段

自2003年以来，我国煤层气产业发展进入了一个新的历史时期，即商业化生产阶段。其主要标志为：煤层气地质研究进入了求源，勘探实践进入了详查，开发上步入了商业化生产，中国煤层气产业的雏形已经形成，并呈现出快速发展的势头，这些标志在煤层气论文的数量和结构上均有体现。

在2003～2005年的三年期间，CNKI煤层气论文总数大幅度增加，达到628篇，年均论文约209篇，与第二阶段相比增长了61%，接近第一阶段论文总量的一半（图1，图2）。开发技术类论文的比例有所提高，利用和储运技术研究得到进一步重视，基础研究明显加强，研究重点进一步向煤层气产业的中—下游移动，更加适应于商业化生产阶段对科学技术的需求。

地质与勘探类论文占阶段论文数的比例约51%，仍有较大比重，这是我国煤层气产业目前总体上处于初期阶段的必然特征。其中：煤储层物性与吸附性仍是研究重点，但论文比例下降至39%左右；资源评价与地质选区仍是产业的科技需求，论文比例（27%）与上一阶段基本持平；成藏条件与过程研究得到高度关注，论文比例比上一阶段提高了约9个百分点（图3）。

本阶段开发技术类论文数量的比例为19%，比上一阶段略有提升，显示我国煤层气产业中游领域的研究得到进一步重视。其中：钻井、完井、试井论文（25篇）多于第一阶段，但比例继续下降（约21%）；排采与增产措施论文34篇，数量显著增加，比例（29%）略有提高；产能与采收率论文12篇，数量和比例（约10%）均比上一阶段显著减少；解吸-渗流-扩散论文25篇，数量明显增加，比例与上一阶段基本持平（图4）。钻井、完井、试井论文比例相对降低，排采与增产措施论文比例显著提高，解吸-渗流扩散论文数量明显增多，尤其是2005年开发技术类论文数量大幅度跃升（图1，图2），显示出我国煤层气商业性生产、示范工程等对新技术开发和相关基础研究的强烈需求。

在此阶段：新增了一批国家批准的煤层气储量，煤层气成藏条件与机制探索在国家层面上全面展开，标志着中国煤层气地质研究从资源与基本地质条件调查阶段转入了资源“详查”阶段和成藏作用探索过程；大井网煤层气勘探开发试验取得新的突破，水平羽状井、丛式井等技术在煤层气开发中得到初步应用，对二氧化碳注入等新的增产技术进行了现场试验，晋城地区开始了煤层气商业化生产，标志着中国煤层气产业从开发试验阶段转入了商业化生产启动阶段。

3 CNKI 论文分布特点与产业发展需注重的科学技术问题

进一步分析C N KI论文分布特点，发现存在某些问题，而解决这些问题正是发展中国煤层气产业所需要继续努力的方向。

首先，煤层气资源评价始终是20余年研究探讨的主题，尤其是对全国和某些区域的煤层气资源量及其构成众说纷纭，且国家批准的煤层气储量所占比例极低。究其原因，主要在于三个方面：一是评价方法缺乏规范性要求；二是资源估算尚存重大基础问题未能解决；三是资源勘探和探明程度很低。为此，煤层气资源评价及其方法仍是今后相当长一段时期内所要研究的主题，而在国家层面上制定评价方法和要求的规范性文件，加强以吸附机理为核心的基础研究[3]，加大勘探和开发试验的力度，将有助于推进这一问题的解决。

其次，文献中涉及的煤层气地质选区多达50余个，但目前实现商业性开发或具有可见前景的地区不超过5个，且某些选区已上过多轮勘探和开发试验工程。造成这种状况的原因是多方面的，包括选区理论和方法在科学性和适应性上的缺陷、早期勘探与开发试验技术发展水平和认识的局限、钻井/完井/排采技术管理经验不足等[3]。因此，在深化研究选区理论与方法的基础上，通过资料复查和新技术应用，总结开发技术上的经验和教训，可能会使我国煤层气地质选区成功率得到一定的提高。

第三，国外几乎所有的传统和先进煤层气开发技术在我国都有引用，但多数情况下的应用效果都不甚理想。正视这一状况，似应考虑如下三个问题：一是所有先进技术是否都适合我国特定选区的煤层气地质条件？二是传统技术在特定选区的开发效果是否就不如先进技术？三是我国自主研究开发出了哪些适合于我国煤层气地质条件的开发技术？对于前两个问题，答案当然是否定的。至于后一个问题，目前尚未见到关于自主研发的关键技术的报道。这三个问题的关键，在于各种开发技术的适应性，这也正是今后需致力于研究的重要方向之一。

第四，见诸报道的煤层气井产能、煤层气采收率及其影响因素的研究成果较少，与煤层气商业性生产阶段的技术需求之间存在较大差距。原因在于，我国前期实践多为开发试验，对此没有太多的需求，积累的资料也十分有限，难以满足开展这一研究的要求。但在进入商业化开发且追求经济效益的现今阶段，该方面的研究应该引起足够重视，包括系统追踪和分析排采动态、注重不同煤层气地质条件的对比分析、深化煤层气解吸-渗流规律与机理的研究、开发科学性更强的数值模拟技术等。

第五，尚未充分注意到深部煤层气开发这一潜在新领域，深部资源及其与常规油气共采可行性的研究成果鲜见报道。我国深部煤层气资源量巨大[4]，多数大—中型沉积盆地中煤层气都与常规油气共生，前期少数研究显示了深部煤层气与常规油气共采的可能性[5]。为此，从资源潜力、成藏作用与过程、地质选区、勘探与开发试验等方面，对深部煤层气资源潜力开展全方位的研究探讨，将有助于拓展我国煤层气开发的新视野。

第六，煤层气开采可能诱发的环境保护以及煤层气利用与储运技术问题，应该得到应有重视。在1994年以来的1465篇CNKI煤层气论文中：环境保护方面的论文只有19篇，几乎全为哲学意义上的讨论或介绍国外相关技术；利用与储运方面的论文逐年增长（图1），但多是关于煤层气发电和管网输送技术的探讨。这种状况，可能会影响到我国煤层气产业的健康发展。针对我国煤层气地质和开发特点，开展环境保护技术研究或实例分析，研究开发具有更高附加值的煤层气转化利用技术和适应矿区煤层气分布式开发特点的小型化利用储运技术与装置，将有助于弥补我国煤层气产业在此方面的不足。

参考文献

[1]秦勇.2006.中国煤层气产业化面临的形势与挑战（Ⅰ）：当前所处的发展阶段.天然气工业，26（1）：4～7

[2]中国期刊全文数据库.http://211.70.215.35/kns50/

[3]秦勇.2006.中国煤层气产业化面临的形势与挑战（Ⅱ）：关键科学技术问题.天然气工业，26（2）：6～10

[4]秦勇.2006.中国煤层气产业化面临的形势与挑战（Ⅲ）：走向与前瞻性探索.天然气工业，26（3）：1～5

[5]秦勇，宋全友，傅雪海.2005.煤层气与常规油气共采可行性探讨.天然气地球科学，16（4）：492～498

中国煤层气期刊投稿

张兵 叶建平 张晓朋

( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)

摘 要: 目前，向深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气技术已经发展到微型先导性试验阶段，世界各国所做试验结果都表明该技术能够提高煤层气的单井产量和采收率，同时能够实现二氧化碳的埋存。但是，针对注入二氧化碳之前的选区评价研究较少，主要针对盆地级别的基础参数评价，没有进行系统的研究。本文以注入二氧化碳开采煤层气的可靠性和经济性两个基本原则，将选区分为盆地和有利区带评价两个层次，针对影响选区评价的地质、工程和经济因素，总结出五大方面 17 个影响参数，划分出各参数的评价指标。利用层次分析法对沁水盆地柿庄北区块和新疆硫磺沟区块进行了评价，优选出适合深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气的区域。

关键词: 深煤层 注入 二氧化碳 煤层气 选区 评价体系

基金项目: 科技部国际科技合作项目 ( 2007DFB60050) “深煤层注入/埋藏 CO2开采煤层气技术研究”。

作者简介: 张兵，男，1982 年生，工程师，现从事煤层气勘探开发研究工作。地址: 北京市东城区安外大街甲 88 号 ( 100011) 。Email: bzh010@163. com。

Deep Coal CO2Sequestration and Enhanced Coalbed Methane Production Selection Evaluation Technology

ZHANG Bing YE Jianping ZHANG Xiaopeng

( China United Coalbed Methane co，ctd. Beijing 100011，China)

Abstract: At present，the deep coal CO2sequestration and enhanced coalbed methane production selection evaluation technology has been developed to the micro-pilot test stage. Test results around the world have shown that the technique can improve the CBM production and coalbed methane recovery， CO2can be sequestrated. However，there is little research about the selection evaluation technology of deep coal CO2seques- tration and enhanced coalbed methane production，the main research is the basis for basin-level parameters of e- valuation. In this paper，reliability and economy of injecting CO2into coal seams are two basic principles. The con- stituency is divided into two-level zone of the basins and favorable area. This article summarizes five major aspects of 17 parameters from the evaluation of geological，engineering and economic factors. They are analyzed by the e- valuation index of each parameter. In this paper，Shizhuang North Block of Qinshui Basin and Liuhuanggou Block of Xinjiang are evaluated using the analytic hierarchy process. Coalbed methane extractions zone that suitable for deep coal CO2injection / burying are selected.

Keywords: Deep coal; injection; CO2; coalbed methane; selection; evaluation

深部煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气(CO2ECBM)技术是指通过向煤层中注入一定量的二氧化碳，利用CO2更容易吸附到煤层表面上的性质，置换出更多的甲烷，提高煤层气井的单井产量和采收率，将大量的温室气体埋藏到煤层中。该技术一方面能实现CO2埋存，另一方面可提高煤层气井产量。

目前，美国、加拿大、波兰、中国和日本都进行了微型先导性试验。多次试验结果表明向煤层中注入二氧化碳能够提高煤层气井的产量和埋存CO2(叶建平等，2007;中联煤层气有限责任公司，2008;Scott Reeves et al.，2002;Van Bergen et al.，2003;M.J.Mavor，et al.，2004;Reeves S.R.et al.，2005;Oudinot.A.Y.et al.，2007;S.Reeves，2008;)。但是，并不是所有的含煤地层都适合该技术，在注入CO2前进行深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气选区评价是非常必要的。到目前为止，针对注入二氧化碳之前的选区评价研究较少，主要针对盆地级别的基础参数评价，没有针对选区评价进行系统的研究。

1 选区的基本原则

深煤层中注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区需要遵循两个基本原则:一是可靠性，即选择的地点必须能够将CO2长时间埋藏在地层中;二是经济性，即该技术的应用能够创造经济效益。

大量的CO2需要长时间或者永久的被埋藏在煤层中才能起到减少温室气体的作用。CO2泄露出来，将会影响到地层水和土壤，对注入地区环境造成影响。

深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气的技术已经达到微型先导性试验阶段，大范围的推广需要该技术应用具有经济性。国内没有对埋藏CO2进行补偿的政策，如果大规模的埋藏CO2必须选择在能够产生经济效益的地点实施。

2 选区阶段划分

深煤层注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区是分析和评价某一特定区域(小至一口井的影响范围，大至全盆地)地下煤层埋藏CO2与开采煤层气能力的一项工作。选区按含煤盆地(坳陷)和区带两个层次进行评价。由于各个层次的规模、对象不同，评价的内容、要求和方法也不同。在选区过程中，先进行盆地的优选，然后针对有潜力的盆地进行区带的筛选。通过地质评价、埋藏量的计算、风险分析和经济分析等环节来实现有利区带的优选。

2.1 盆地评价

盆地评价是区域性评价的基本单元，是在对盆地基本地质条件(包括盆地类型、构造、沉积、地热等)、盆地煤层气地质条件(包括含气量、煤层气丰度和煤炭储量等)、煤矿开采、钻井情况、基础设施等进行综合分析，计算相关的评价参数，估算煤层气资源量和二氧化碳可埋藏量。针对各个参数进行盆地级别的评价，选出优势盆地。

2.2 有利区带评价

在优势盆地选区的基础上，根据可获得的采矿数据和煤岩特征参数(包括工业分析、元素分析和镜质组反射率等)评价煤田的范围和品质。根据井下岩心分析测试，确定煤层含气量、渗透率、等温吸附特征、含气饱和度等。针对各参数进行综合评价，优选出适合煤层中注入/埋藏二氧化碳开采煤层气的有利区带，并对所在地区的交通和天然气需求等情况进行评价，利用层次分析法确定最有利的区带。

3 选区评价指标体系

目前，国际上对煤层中注入/埋藏二氧化碳开采煤层气选区评价主要针对地质埋藏潜力进行分析，并且是以大的盆地为评价单位，评价系统只包括地质因素，较少的对埋藏CO2的经济性进行评价。

本文针对ECBM项目所涉及的主要因素进行了评价，包括煤层气的资源潜力和CO2埋藏潜力、CO2埋存的安全性、CO2供给能力、注入地点的工程控制程度和市场潜力等五大方面17个参数进行评价。

3.1 指标Ⅰ———煤层气资源潜力/CO2埋藏潜力

3.1.1 煤层气的资源潜力

煤层气资源潜力可以用待选点的煤层气资源丰度来判定，它能够代表待选点煤层气开发潜力。煤层气资源丰度以亿m3/km2作为单位，它是吨煤含气量和净煤厚度的函数。

煤层气资源丰度由下式计算:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:A为面积，km2，取1km2;H为煤层的有效厚度，m;nc为煤的密度，t/m3;fa为煤中的灰分占煤的质量分数，%;fm为煤中的水分占煤的质量分数，%;GCH4为含气量(空气干燥基)，m3(气)/t(煤);

3.1.2 CO2埋藏潜力

它与煤层气资源潜力有密切的关系。本文同样采用单位平方公里能够埋存二氧化碳的量来表述，以亿m3/km2作为单位。

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:A为面积，km2，取1km2;H为煤层的有效厚度，m;nc为煤的密度，t/m3;fa为煤中的灰分占煤的质量分数，%;fm为煤中的水分占煤的质量分数，%;GCO2为二氧化碳在原始储层压力下的吸附量(空气干燥基)，m3/t。

为了方便对比CO2在某一区带的埋存潜力，只计算原始储层压力下的最大埋藏量。本次研究具体评价指标分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。采用单位面积埋存量大于等于2为Ⅰ类，大于1小于2的为Ⅱ类，煤层气资源丰度小于等于1的为Ⅲ类(表1)。

表1 煤层气资源/CO2储存潜力评价表

3.2 指标Ⅱ———埋存的风险

CO2能被大量的长期保存在地层中是主要目的之一。影响埋存时间长短的影响因素主要是埋存地点的地质和工程条件，包括埋存深度、埋存层位上部盖层的厚度及封闭性、埋存地点断层发育的复杂程度与封闭性，以及与埋存地层连通井的封闭性。

(1)煤层深度。根据目前国内煤炭开采深度大部分都在0～1000m范围。煤层中埋藏二氧化碳需要选择深部非开采煤层。

(2)盖层的封闭性。由于在CO2注入过程中，需要尽量保持井底压力低于煤层的破裂压力，但是注入压力会逐渐大于煤储层原始压力，因此煤层上部盖层的封闭性非常重要。一般认为泥岩或页岩作为盖层的密封性最好，其次是致密砂岩。盖层的厚度越大，封闭能力越好。

(3)断层的发育。在封存地点有大的断层发育，并且断层是开启状态，那么CO2将沿着断层裂缝运移到其他的地层或者到地面。

(4)埋藏区废弃井的处理。如果注入区块内已经有煤田勘探钻孔或者煤层气废弃井，需要对这些井的处理情况进行监测。

(5)地震发生概率。将CO2埋存到地下的时间有效性目前并没有明确的说法，一般认为至少在100年以上才有控制温室气体排放的效果。因此，要求优选的地区地壳比较稳定，不易发生地震。

本文将以上五个风险因素划分三个层次进行评价(表2)。

表2 埋存的风险评价表

3.3 指标Ⅲ———CO2供给潜力

要使CO2－ECBM项目具有经济效益，必须有大量廉价的CO2源。

(1)CO2的捕获成本。目前中国进行烟道气的回收电厂都分布在东部地区，距离煤田很远，运输费用很高。在这种情况下，CO2运输成本太大。另一个可选择的来源是利用纯净的CO2源。例如，从氢气生产炉的尾气中进行提纯CO2，这时CO2捕获成本将大大降低，从而能提高CO2－ECBM技术的经济性。

(2)CO2的运输成本。CO2的运输方式包括汽车运输、管道运输、火车运输和船运。在中国西部地区进行船运的可能性几乎为零。微型试验要架设CO2的专门运输管线的成本过高。火车的运输成本较低，但需要再转为汽车运输到注入地点。汽车的单公里运输成本最高，但对于距离小于100km的情况，这种运输方式是较方便和经济的。

(3)CO2埋存后的安全性。深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气要求注入气体CO2的浓度在90%以上即可。但是，如果混合气体中含有有毒或者污染环境的气体也是非常危险的。因为注入的气体可能跟随采出的煤层气到地面污染环境或者对人类的安全造成危害。

本文对5个与CO2供给潜力有关的参数进行评价，并且划分为三个层次(表3)。

表3 CO2供给潜力评价表

3.4 指标Ⅳ———注入地区工程控制程度

为了正确地评价项目，必须获得一些地质和工程资料。数据资料不充足将增加评价过程中的不确定性。注入CO2最好选择勘探成熟的地区。

通过数值模拟认为在煤层气井达到高峰的时候注入CO2能达到提高产量的最好效果。具体分析见图1。

图1 不同阶段注入二氧化碳开采煤层气的数值研究

a)没有注入CO2情况下，煤层气井的生产情况。

b)对于CO2减排的角度来看，应该越早的注入CO2越能达到减排的目的。但是在生产初期就注入CO2，可能导致注入压力过大，注入总量减少，并且注入CO2后，CO2在煤层气井达到最高产量之前突破，最终导致煤层气井生产出来的甲烷含量降低，CO2含量很高，生产井被废弃。

c)在煤层气井的产气高峰后期注入CO2，煤层气井的产量将会迎来另一次的高峰，并且CO2能够在较低的注入压力下注入。同时，CO2的突破时间将延后，煤层气井的总产量增加。直到CO2突破后，注入压力仍然不是很高，可以继续注入一段时间，从而增加了注入CO2的总量。

另外，注入点所在区带的地球物理勘探程度和煤层气井的数量也影响了评价的可信程度。本文选择三个指标进行评价(表4)。

表4 注入地区工程控制程度

3.5 指标Ⅵ———市场潜力

煤层气销售获取利益是CO2－ECBM项目的主要经济驱动力。煤层气作为一种天然气，需要通过管线输送到集输中心。一旦煤层气被输送到集输中心，就需要分销网络将煤层气输送到用户。如果在试验点附近存在这样的管线基础设施，那么项目的市场潜力就极大地被提高。另外，CO2－ECBM项目将产生碳交易指标，创造货币价值，在评价市场潜力时，我们需要考虑这方面的效益。目前何时能实现碳交易指标的销售还不是很清楚。本文将市场潜力的两个参数列出评价指标(表5)。

表5 市场潜力分析标准表

4 综合评价

本文选择沁水盆地柿庄北区块和新疆硫磺沟区块进行深部煤层注入/埋存二氧化碳开采煤层气潜力评价，对区带的地质、地球物理和地理资料进行了收集整理，并按照上述的评价准则进行分级评价，采用层次分析法进行权重排序，从而优选出有利区带。

首先建立层次结构模型，根据本文的评价指标进行分级评价，运用分层分析法计算各个区块的权重(图2与表6)。

图2 层次结构模型

表6 选区参数评分及权重

经过分层分析法的判定，无论是在环境和经济性等方面柿庄北更适合进行注入CO2开采煤层气(表7)。

表7 二氧化碳注入选区评价结果

参考文献

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目前有很多矿业类的期刊，但都是核心，发表起来要求学术水平非常高，对于屏职称完全没有必要。我有个同学也是矿业工程的，在新汶矿业集团，我给他发表在《价值工程》上，他评审通过了，一点问题没有。如果确实是高水平文章，可以到中国知网找相关期刊。

陈润1 秦勇2

基金项目:国家重大专项(2011ZX05042-01-02),中国矿业大学青年科技基金A类项目(2010QNA09)和中国矿业大学青年教师启动基金资助。

作者简介:陈润,男,1979年生,江苏宿迁人,博士,助理研究员;从事煤层气与CCS研究。地址:(221008)江苏省徐州市中国矿业大学低碳能源研究院。电话:。E-mail:

(1.江苏省煤基CO2捕集与地质储存重点实验室(中国矿业大学低碳能源研究院),江苏徐州 221008;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221008)

摘要:CO2的煤层封存是-当今节能减排的研究热点。认为CO2煤层封存是通过物理、化学以及微生物转化等方式实现,煤层封存CO2除对地下水以及上覆盖层岩石产生影响外,还可能诱发地震等地质灾害。为了保证煤层封存CO2的安全性与长久性,有必要对CO2在煤层中的运移状况进行监测。基于此,本文论述了目前CO2煤层运移的监测技术,指出CO2煤层封存及监测技术有待深入并加以系统化。

关键词:CO2 煤层 封存 影响 监测

Advance of CO2 Sequestration Effect in Coal Seams and Its Monitoring

CHEN Run1, QIN Yong2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Coal-based CO2.Capture and Geological Storage (Low Carbon Energy Institute, China University of Mining and Technology), Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 2.School of Resource and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China)

Abstract: CO2 sequestration in coal seams is a focus of saving energy and reducing greenhouse gas emissions at present.It is considered that CO2 sequestration in coal seams can be implemented through physical, chemical and microbial capture.It is found that CO2 sequestration in coal seams except effects on groundwater, microbes and rocks, geological hazards such as earthquake might be induced.In order to ensure the safety and longinquity, the monitoring of CO2 migration in coal seams is necessary.Based on this, the technologies of CO2 migration moni- toring in coal seams are discussed, and it is pointed out that the study of technologies of CO2 sequestration in coal seams and monitoring should be furthering and systematization.

Keywords: CO2; Coal seam; Sequestration; Effect; monitoring

1 引言

人类使用化石燃料排放的CO2气体是一种导致全球变暖的温室气体,其大量排放会带来一系列的自然灾害,从而CO2的减排工作引起世界各国政府与社会各界广泛关注。目前,我国CO2的排放总量仅次于美国,居世界第二位。如何将CO2气体有效封存成为我国环境乃至全球环境问题的一个重要议题。煤层气地质研究表明煤吸附CO2的能力比CH4强,众多研究者提出煤层注入CO2强化CH4产出(唐书恒等,2004;吴建光等,2004;苏现波等,2008)。基于此,笔者探讨了CO2煤层封存机制、CO2封存对煤储层环境影响以及CO2地下运移监测技术,以期为CO2煤层封存与驱替煤层气开发服务。

2 CO2煤层封存技术

煤层封存CO2可通过物理封存、化学封存以及微生物转化等机制实现。在已知的CO2煤层封存技术中,物理封存能力最大,煤层微生物转化最具前景。

2.1 物理封存

CO2的物理封存是一种不改变CO2理化性质的封存方式,被看做是天然气开采的逆过程。煤层封存捕获CO2与其他地质体相比既有相同之处,但也存在差异。一方面,在CO2注入煤层初期,煤层捕获CO2也是通过上覆岩层隔挡来实现。即CO2注入煤层后,由于上覆的页岩和粘土质岩类低渗透性而阻挡了CO2向上运移,形成了压力封存箱。另一方面,在高压条件下,煤对CO2吸附能力要比CH4大得多(苏现波等,2008),被压力封堵在煤层的CO2运移一定距离后很快就在煤表面吸附捕获,驱替煤表面吸附CH4产生;实现煤层物理封存CO2的方式转变,同时实现强化煤层气产出的功效。

此外,在一些含水煤层,CO2的物理封存还包括CO2的水溶封存以及其水合物封存等。在高压条件下,CO2在水中的溶解度是极其可观的(陈润等,2007),溶解作用也对CO2煤层封存起到了一定作用,但一般煤层含水性较差,CO2水溶封存在CO2煤层封存中一般不予考虑。CO2水合物封存具有很强的封存能力,但由于其封存需要极其苛刻的温压条件,在煤层封存CO2中很难实现。

2.2 化学封存

CO2的化学封存是CO2与其他物质发生化学反应生成新物质而实现CO2固定的一种方法。一般情况下,煤层这种特殊的储层存在渗透率各向异性(KelemenSR et al.,2009),即沿水平方向的渗透能力较强,锤直方向则相对较弱。而这种各向异性表现为煤层沿水平一侧或多侧开口,有利于CO2在盖层下侧向流动。随着运移的进行,CO2与煤中矿物质以及围岩中矿物发生化学反应,实现化学封存。该封存方式随着矿物的类型不同而有显著差异(于洪观,2005)。

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

从而,CO2通过溶蚀作用形成碳酸盐或碳酸氢盐不溶物或可溶物而实现了地质封存。

2.3 地下微生物转化

CO2的地下微生物转化利用是少有人涉足的领域,仅有的研究表明:地质条件下注入CO2和H2经微生物转化生成CH4(夏遵义等,2004),这样即实现了CO2封存,又生成了新的能源。由于研究中人为加入了H2,使得储层条件下(少氢气)能否实现CO2的微生物自然捕获并转化有待进一步验证。但相关研究表明:煤储层条件下产氢菌的大量存在是CO2微生物转化的一个有利条件(夏遵义等,2004),其他类型化学反应或低价含铁矿物的蚀变也都可能为产甲烷菌转化CO2提供必要的H2。如生物膜——岩石相互反应、岩浆热液流、水的辐射分解等(徐永昌,1994)。可见,CO2的地下微生物转化在一定的地质条件下是可以实现的。

CO2的微生物封存可实现CO2的永久转化,减少CO2的大气排放,达到减缓温室效应的目的;同时CO2的地下微生物转化具有可观的能源生成前景。但由于地下微生物作用要具备苛刻的环境条件,微生物转化CO2能力还有待进一步研究。

3 CO2封存对环境的影响

3.1 地下水污染

CO2封存对地下水污染是多方面的。CO2在水中溶解量增加,会降低地层水的pH值,导致地下水酸化。研究表明,1kg水中溶解1摩尔CO2溶液的pH值为2.88(孙茂远等,1998);研究也表明地下水的酸性不断增强,致使地层中许多微量元素被溶蚀在地层水中富集。CO2对地下某些重金属或其有机化合物大量溶蚀时,则可能严重影响人类工业、农业和生活用水的安全和健康。Wang和.Jaffe(WangS et al.,2004)采用化学模拟的方法,将CO2注入到100m深处让其向浅部含水层运移(中间层位富含一定浓度的硫化铅)。结果发现,在缺少束缚的条件下,封存的CO2充分溶解,导致地层水中大量有害的矿物硫化铅从固体中溶出,造成以注入点为中心的CO2晕,方圆几百米内的地层水受到了严重污染。

3.2 岩体变化

如前文所述,随着煤层CO2注入量的增加,CO2注入井附近煤储层负荷压力增加,导致CO2在煤层水中的溶解度增大溶蚀煤中的矿物,改变煤岩对原有矿物的束缚性,降低煤岩及上覆盖层的力学强度,造成岩层断裂;同时,由于煤储层吸附大量的CO2气体发生膨胀效应(KaracanCO,2007;SiriwardaneHJ et al.,2009),减小煤中孔裂隙空间,降低煤储层的渗透率。在地下水存在的情况下,CO2的大量溶解也可能使地层水中的一些矿物沉淀或析出,堵塞煤中通道孔隙。

3.3 诱发地质灾害

CO2注入煤层进行封存使得煤层所受有效应力增加,如果注入压力超过上覆地层所能承载压力时,将可能诱发上覆盖层断裂以及断裂沿一定方向移动。该现象反映到地表为地质变形、坍塌等地质灾害。在一些高压层位,伴随着一系列裂缝产生和断层的活动,也有可能诱发地震这种高危害地质灾害。如:美国科罗拉多州Rangely油田,就发生过因向其孔隙中注入流体而导致微地震产生的事件(Gibbs J Felal.,1973);同样由于向深部钻井中注入废液,德国大陆深钻工程(Shapiro S A et al.,1997)和加拿大艾伯特冷湖油田(Talebi S et al.,1998)都曾诱发过中等级地震;美国还曾因此诱发强度高达为4.9级O-hio地震和5.3级Denver地震(Bert M et al.,2005)。

3.4 对煤层微生物影响

煤层封存CO2对其中存活的微生物通过多方面产生影响。一方面,pH在5.9~8.8之间适宜大部分产甲烷菌生长,而pH介于6.8~7.8之间其活性最强(郭泽清等,2006)。煤层水酸化使得产甲烷菌活性降低,生长受到抑制,降低固定CO2能力。另一方面,煤层水的酸化可大量溶解岩石中碱金属元素和微量元素。如果煤中Na,K等离子大量溶解会抑制产甲烷菌的活性;与此相反,Fe,Co,Ni,Se等离子溶解则会增强产甲烷菌活性(祖波等,2008)。可见,金属离子和微量元素的溶解对产甲烷菌的影响应根据地质环境具体分析。

4 CO2运移监测

当CO2注入煤层时,其注入速度及注入量对封存效果及安全性产生重要影响,故开展CO2煤层运移监测是非常有必要的。如前文所述,当CO2注入煤层后,极易对煤层及围岩以及存活于其中的微生物产生影响,故监测多从CO2本身或其对煤层及其围岩地层产生的影响进行开展。目前监测技术主要分为物理监测和化学监测。

4.1 物理监测

物理监测有储层压力监测、测井、地震、电磁手段以及地表变形等多种方法(Preston C et al.,2005)。目前使用最广、技术最成熟的是三维地震监测技术和测井监测技术。三维地震监测是通过监测煤层CO2注入量随着时间偏移的变化来实现。即:随着CO2向煤层不断注入,煤吸附气体的饱和度、煤孔隙压力、气体饱和度以及流体运移方向都将发生变化,不同时期观测到的地震资料属性也将发生变化。该方法利用两次或多次观测对比,推断CO2的运移情况。除了人工源地震以外,煤层注入CO2所造成的盖层断裂及其微小震动在监测的过程中都可以加以利用。而电法、电磁法以及重磁法等监测技术都不如地震监测来的直观、准确和形象。

4.2 化学监测

地球化学成分的变化也可以有效地反映CO2在煤层中的运移状况。CO2注入煤层后,极易与煤层内的气、水以及围岩发生物理和化学反应,最为明显的变化是流体中酸度增加,尤其酸式碳酸盐离子。通过采集煤层气体和地下水层样品分析CO2的含量或根据水中碳、硫稳定同位素的特征直接测量。Emberley等(2004)研究加拿大Weybum油田封存CO2发现,CO2注入储体后其碳同位素相比注入前存在一定的差异。此外,化学监测与示踪剂联合使用不失为一种较为理想的监测方法。它通过监测CO2碳同位素以及外加示踪剂在煤层中的运移情况来反映CO2在煤层中的平面展布,通过时间偏移来反映CO2在煤层中的运移情况。

5 结语

CO2的煤层封存通过煤层物理封存、化学封存以及微生物封存三种途径来实现。其封存项目的实施除了具有减排、增产效应外,还可能带来一个极大的附加值——生物甲烷生成。最重要的是,CO2煤层封存对地质体具有一定的影响,其污染甚至可能威胁到人类健康。为此,在CO2封存的过程中,在保证CO2注入速度和注入压力的合理性的前提下,监测CO2在煤层中的运移与分布情况也非常重要。目前,CO2地质封存可行在不断细化,CO2地质封存的影响与危害的认识也在不断强化,因此,CO2地下运移的监测技术也需要不断更新。而我国在该方面的研究更是刚刚起步,仅有的试验井也以强化煤层气产出为目的,对CO2封存效果及其对地下环境的影响、危害及其监测甚少(中联煤层气有限责任公司,2007)。因此,相关认识和论证工作亟待深入开展,逐步实现系统化,为CO2煤层封存技术工业化实施扫除障碍。

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